萬噸級熟料燒成系統(tǒng)節(jié)能降碳

馬嬌媚，王克東，隋明潔，高為民

1 前言

萬噸級水泥生產線（>10 000t.cl/d）是水泥生產技術大型化發(fā)展的標桿，受到業(yè)內外的廣泛關注[1，2]。據(jù)統(tǒng)計，我國目前已建和在建的萬噸線共有18條[3]，是全球范圍內擁有萬噸級水泥生產線最多的國家。我國早期投產的萬噸級生產線裝備較多引進自國外，而近年來，隨著水泥生產技術的高速發(fā)展，我國水泥生產大型化技術裝備已逐漸成熟并走向市場（見表1）。徐州中聯(lián)1號萬噸級水泥生產線投產于2004年，其燒成系統(tǒng)主要裝備包括Polysius五級懸浮預熱器、MSC型在線分解爐、Polysius三檔回轉窯、CP冷卻機等。該生產線已投運近二十年，其煤耗、電耗、環(huán)保指標均已不能適應現(xiàn)階段國家“雙碳”戰(zhàn)略下能耗雙控的政策要求，為實現(xiàn)生產線的可持續(xù)發(fā)展，對其進行節(jié)能降碳和超低排放的技改升級。

提升生產線能效是水泥行業(yè)重要的碳減排途徑之一[4]，特別是針對國內現(xiàn)有的1 500多條水泥生產線[5]，實施能效提升技術改造更適合我國現(xiàn)階段國情，也可有效推動替代燃料等碳減排新技術的應用[6]，具有廣闊的發(fā)展前景。針對徐州中聯(lián)1號水泥生產線的優(yōu)化提升目標，天津水泥院在現(xiàn)階段綠色低碳燒成技術研究成果基礎上提出，將五級預熱器改為六級、五級預熱器改為七級兩種技術方案。經充分論證，綜合考慮各方因素，最終確定了將五級預熱器改為六級為主體的燒成系統(tǒng)減污降碳技術路線。

2 改造前生產線基本情況

2.1 燒成系統(tǒng)配置

改造前，徐州中聯(lián)1號水泥生產線燒成系統(tǒng)主要設備及規(guī)格見表1，回轉窯為Polysius供貨，規(guī)格為?6.0/6.4m×90m，設計轉速為3.5r/min，實際運行轉速為3.0r/min；配套Polysius五級雙列預熱器、?7.64m×50m MSC分解爐，爐容為3 400m3；CP冷卻機，三次風管直徑為?3.35m，生料磨為兩套ATOX 50輥磨，煤磨為兩套MPF 2217輥磨。

表1 典型萬噸級水泥熟料生產線主要設備及規(guī)格

2.2 原、燃料情況

該生產線原料配料采用石灰石、煤矸石、鐵尾渣、砂巖四組分配料，石灰石來自自有礦山，擬新購一座礦山，新購礦山表層含有粘土等硅質雜質，新舊礦山石灰石原料品位均較低，鎂、堿含量偏高，導致熟料3d抗壓強度為31MPa、28d抗壓強度為56MPa。近兩年，該生產線通過資源化綜合利用，處置利用了污染土、煤矸石等劣質原料，煤矸石摻入比例3%~6%，熱值418~1 254kJ/kg。煤粉細度80μm篩篩余10%，生料細度80μm篩篩余20%~22%、200μm篩篩余2%，入窯分解率>95%。熟料化學成分、礦物組成及率值見表2，煤粉工業(yè)分析見表3。

表2 熟料化學成分（%）、礦物組成（%）及率值

表3 煤粉工業(yè)分析及元素分析

2.3 改造前運行狀況

改造前，熟料生產標煤耗為107~108kgce/t.cl，熟料綜合電耗為56kW·h/t.cl，出冷卻機熟料溫度>200℃，預熱器C5出口溫度340℃~350℃（預熱器自下而上編號為C1~C5，五級預熱器頂級旋風筒編號為C5，末級旋風筒編號為C1），出口壓力為-5 000~-5 200Pa，預熱器出口溫度偏高。末級C1旋風筒出口溫度790℃（現(xiàn)場測溫點位置較高，對出口溫度也有一定影響），出口壓力-1 700Pa，下料管溫度860℃，存在一定程度的煤粉后燃。三次風溫度~850℃、二次風溫度1 120~1 190℃，入窯頭收塵器余風溫度131℃。從預熱器溫度、壓力分布及二、三次風溫度等參數(shù)分析看，主機設備預熱器熱效率低，冷卻機的熱回收率低，技術指標與近年內投產的生產線相比，處于較低水平[7]，系統(tǒng)整體煤耗和電耗高，系統(tǒng)熱效率較低，約為~55%。余熱發(fā)電鍋爐效率較低，發(fā)電量約為31kW·h/t.cl。熟料單位產品綜合能耗為110kgce/t.cl，高于GB 16780-2021《水泥單位產品能源消耗限額》中107kgce/t.cl的2級限額值。改造前的燒成系統(tǒng)中控畫面見圖1。

圖1 改造前的燒成系統(tǒng)中控畫面

2.4 改造前的主要問題

生產線存在的問題集中體現(xiàn)在能耗和環(huán)保兩方面，具體表現(xiàn)為：

（1）預熱器系統(tǒng)阻力大，出口溫度高，粉塵濃度高，窯尾廢氣帶走的熱量多，導致系統(tǒng)能耗高。

（2）分解爐容積偏小，不利于煤粉的燃盡；預熱器出口CO濃度高，不利于自脫硝技術的應用。

（3）預熱器表面溫度高，系統(tǒng)散熱多，熱耗增加。

（4）預熱器框架、預熱器設備、三次風管設備腐蝕嚴重，存在安全隱患。

（5）現(xiàn)有冷卻機熱回收率低，二、三次風溫低，出冷卻機熟料溫度高達200℃，熟料急冷效果較差，對熟料和水泥質量有不利影響。

（6）現(xiàn)有冷卻機故障多，存在安全隱患，影響系統(tǒng)持續(xù)安全運行。

（7）改造前該生產線使用的是SNCR脫硝技術，氮氧化物排放濃度為100mg/m3，不能滿足當?shù)卣呐欧乓螅彼牧繛?.4kg/t.cl，環(huán)保成本較高。

（8）熟料單位產品綜合能耗為110kgce/t.cl，不能滿足GB 16780-2021《水泥單位產品能源消耗限額》中的2級限額值要求，也不能滿足行業(yè)減污降碳的政策要求。

3 技改目標

為實現(xiàn)徐州中聯(lián)1號水泥生產線的減污降碳目標，擬實施燒成系統(tǒng)的升級改造，主要目標為：

能耗方面：煤耗≤93kgce/t.cl；

環(huán)保方面：采用自脫硝技術，將NOX本底濃度控制在≤400mg/Nm3，配合精準SNCR技術，使生產線NOX排放濃度≤50mg/Nm3。

4 回轉窯技術改造方案

4.1 窯尾技術改造

4.1.1 分解爐低能耗自脫硝改造

現(xiàn)有分解爐整體爐容積較?。▇3 400m3），預熱器末級旋風筒溫度倒掛，分解爐內煤粉存在未燃盡現(xiàn)象。因此，在現(xiàn)有分解爐基礎上，向上加高并增加低阻彎頭，下行管道拐出塔架外，回到原有兩個入分解爐的管道上，以有效提高爐內氣體的停留時間，改善煤粉的燃盡程度。改造后，分解爐容積可增至6 300m3。

分解爐深度自脫硝技術能夠降低燒成系統(tǒng)產生的氮氧化物含量，煙煤條件下可以將氮氧化物的本底濃度控制在400mg/Nm3@10%O2以下。本次技改在分解爐擴容的基礎上，進行深度自脫硝改造，優(yōu)化風、煤、料的位置，降低煤管的位置，并在煙室縮口以下增加一支煤管，以增加分解爐的強還原區(qū)容積，延長氮氧化物的還原時間，提高還原效率，降低氮氧化物本底濃度。增設三次風分風的脫硝風管，脫硝風管底部位于三次風管塔外部分，出口與分解爐中部連接。脫硝風管上設閘板閥，用以調整三次風的分風比例。入爐物料采用上、中、下三層喂料，以調節(jié)分解爐的溫度分布。分解爐采用分煤、分料、分風的設計，可以靈活調整風、煤、料的比例，同時滿足了煤粉的快速起燃和自脫硝技術實施條件。

4.1.2 將五級預熱器改為六級預熱器

改造前，窯尾預熱器出口溫度340℃，廢氣帶走的熱量>710.6kJ/kg.cl，遠高于低能耗的生產線。研究決定采用第二代干法水泥生產技術成果——高能效低阻六級預熱器，將現(xiàn)有五級預熱器改造為六級弱渦流、低阻高效預熱器[8]。增加一級預熱器后，預計系統(tǒng)阻力將>6 500Pa。為確保預熱器阻力合理，進一步降低電耗，對預熱器各級旋風筒采用弱渦流、低阻旋風筒進行降阻技術改造，特別是對非頂級旋風筒，即C1~C4旋風筒進行降阻。實驗表明，在一定范圍內，旋風筒進口風速對壓損的影響遠大于對物料分離效率的影響，因此，決定通過增加旋風筒進風口面積降低其進口風速，優(yōu)化蝸殼結構，在不明顯影響物料分離效率和進口不產生過多物料沉積的前提下，降低旋風筒的阻力。核算后，對旋風筒蝸殼進行改造，擴大進口面積，相應修改各級風管進風口面積。

預熱器頂級旋風筒是窯尾煙氣經過的最后一級旋風筒，要求具有較高的物料分離效率，能夠降低出預熱器煙氣粉塵濃度，減少出預熱器煙氣帶走的熱量；在保持較高物料分離效率的同時，降低頂級旋風筒的阻力，減少后續(xù)風機的磨損及收塵器的負荷。原有預熱器頂級旋風筒物料分離效率較低，設備存在破損情況，改造時將其拆除，原有頂級旋風筒樓面作為新增C5旋風筒支撐樓面，在此基礎上，土建結構向上新加一層，在新加樓面上設置4個新的C6高效頂級旋風筒。原有預熱器主樓面和貫穿梁保持基本不變，節(jié)約改造成本。徐州中聯(lián)1號水泥生產線改造前后對比照片見圖2。

圖2 徐州中聯(lián)1號水泥生產線改造前后對比照片

為進一步改善預熱器系統(tǒng)的換熱效率，更換料管的鎖風閥，減少系統(tǒng)漏風；優(yōu)化撒料盒的結構，調整撒料盒的位置，改善預熱器系統(tǒng)的氣固熱交換。

4.1.3 煙室改造

煙室是物料入窯和出窯氣體入爐的連接部位，設計時需考慮物料能快速平穩(wěn)入窯，盡量減少揚塵，使出窯煙氣通過煙室產生的壓損較小；改造時，將原煙室更換為低阻低揚塵煙室，加大煙室縮口直徑，對煙室與回轉窯連接部位進行優(yōu)化，最小截面積較大幅度增加，以降低煙室壓損，促進窯內通風。原有煙室與分解爐中心線的偏移較大，為使回轉窯窯尾煙氣進入分解爐更順暢，分解爐錐部煤粉燃燒更充分，將回轉窯靠近尾端部分6.0m直段截短2.7m，尾端擴大部分定位前移2.7m，對新煙室定位進行局部優(yōu)化，更換煙室時一并更換窯尾密封，使煙氣流通更順暢。同時，在煙室上設置脫硝煤管，借助于煙室縮口的噴騰效應，使煤粉與回轉窯內的過剩空氣快速反應，產生高濃度CO，還原窯內產生的熱力型NOX。

4.2 窯中技術改造

回轉窯現(xiàn)有三次風管直徑為?3.35m，主體部分直徑偏小，三次風管設備及耐火磚破損較嚴重，考慮節(jié)能降耗要求，將現(xiàn)有三次風管整體更換為直徑?3.9m三次風管，加強通風，減少表面散熱，保證三次風溫。

原有三次風管支座設計時按照積灰50%計算，改造設計時按照積灰25%計算，三次風管設備、內襯、積灰總重相差<5%。為節(jié)約成本，原有三次風管主體結構布置走向不變，利舊原有支座基礎和支座主體結構。

改造時，重新核算窯門罩和三次風管在窯頭冷卻機上的開孔，加大通風面積，降低揚塵。窯中三次風管改造前后照片見圖3。改造后，回轉窯窯速可由3.5r/min提高至5.0r/min，相應傳動與之匹配。

圖3 窯中三次風管改造前后照片

4.3 窯頭技術改造

改造前冷卻機為CP冷卻機，篦床面積為250m2，隨著冷卻機運行時間的增加，其故障率上升，熱回收率低，出冷卻機熟料溫度高達200℃。為提高冷卻機熱回收率，改造時將CP冷卻機整體更換為帶中置輥式破碎機的第四代冷卻機，型號為SCLW6-12×13-CM。改造后，新冷卻機篦床面積可提高至316m2，第一段篦床有9個風室，第二段篦床有5個風室，18臺冷卻風機的裝機總功率為3 516kW，相應核算冷卻機二、三次風、煤磨用風、余熱發(fā)電取風風量并進行局部改造。改造后，進一步提升生產線高端裝備配置水平。

4.4 改造方案匯總（表4）

表4 燒成系統(tǒng)改造方案匯總

5 投產應用情況

5.1 投產數(shù)據(jù)分析

技改工作于2022年3月1日開始施工，8月4日點火，8月底達產達標并穩(wěn)定運行，改造前后生產線運行情況對比如表5所示。改造后，預熱器出口溫度平均262℃，相較于改造前預熱器出口溫度降低83℃；廢氣的粉塵濃度下降75mg/Nm3，窯尾廢氣及粉塵帶走熱量減少，節(jié)約燃煤~10kgce/t.cl，窯尾CO濃度≯400ppm；通過改善不完全燃燒，節(jié)約燃煤~1.5kgce/t.cl，二、三次風溫分別提高至1 207℃、960℃；冷卻機熱回收效率提升，回轉窯的轉速提高至3.8~4.0r/min，運行更穩(wěn)定；熟料單位產品煤耗降低14kgce/t.cl，電耗降低6.5kW·h/t.cl，燒成效率從~55.0%提升至~63%，熟料制備系統(tǒng)的能源利用效率有效提升。

表5 徐州中聯(lián)1號水泥生產線改造前后運行情況對比

運行期間，對燒成系統(tǒng)關鍵部位熱工參數(shù)進行了測試，如表6所示。結合表5、表6可知，運行初期，分解爐NOX濃度在噴氨前為315ppm，氨水用量為2.1kg/t.cl，生產線NOX排放濃度<50mg/Nm3，相比于改造前，氨水用量降低了3.3kg/t.cl。后續(xù)運行過程中，應當?shù)卣螅锒旧a線NOX排放濃度<25mg/Nm3，力爭達到18mg/Nm3。通過將脫硝風管開度控制在60%，本底NOX濃度降至204ppm，氨水用量在3.6kg/t.cl，通過自脫硝減少了燒成系統(tǒng)的NOX本底濃度（折算10%O2為250~350mg/Nm3），降低了環(huán)保成本。燒成系統(tǒng)SNCR噴氨槍共16支，底部旋風筒柱段4支，出口2支，下行風管2支，系統(tǒng)的CO濃度較低，燃料燃燒完全，實現(xiàn)燒成系統(tǒng)低煤耗生產的同時，也為SNCR系統(tǒng)氨氮反應創(chuàng)造了有利條件。改造后的燒成系統(tǒng)中控操作畫面見圖4。

圖4 改造后的燒成系統(tǒng)中控操作畫面

5.2 能耗對比分析

2020年10月29日，《中共中央關于制定國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二零三五年遠景目標的建議》提出“降低碳排放強度，支持有條件的地方率先達到碳排放峰值，制定二零三零年前碳排放達峰行動方案”。2021年發(fā)改委等五部委聯(lián)合印發(fā)的《冶金、建材重點行業(yè)嚴格能效約束推動節(jié)能降碳行動方案（2021-2025年）》（節(jié)選部分見表7）提出，2025年，通過實施節(jié)能降碳行動，水泥行業(yè)和數(shù)據(jù)中心達到標桿水平的產能比例超過30%，行業(yè)整體能效水平明顯提升，碳排放強度明顯下降，綠色低碳發(fā)展能力顯著增強。

表7 《冶金、建材重點行業(yè)嚴格能效約束推動節(jié)能降碳行動方案（2021-2025年）》（節(jié)選）

徐州中聯(lián)1號萬噸級水泥生產線在技改過程中，應用了綠色低碳燒成技術，其改造后的能耗數(shù)據(jù)與GB 16780-2021標準數(shù)據(jù)的對比情況如表8、圖5所示。改造后，熟料單位產品綜合煤耗低于GB 16780-2021標準中的1級能效熟料單位產品綜合煤耗指標約4%；同時，通過實施分解爐自脫硝源頭減排技術，配合SNCR技術，實現(xiàn)了NOX超低排放，年節(jié)約標煤4.3萬噸，低煤耗技術減少CO2排放10.8萬噸，自脫硝技術節(jié)約氨水用量1.0萬噸。

表8 徐州中聯(lián)1號線改造后能耗數(shù)據(jù)與GB 16780-2021標準數(shù)據(jù)的對比分析

圖5 徐州中聯(lián)1號水泥生產線改造后能耗數(shù)據(jù)與GB 16780-2021標準數(shù)據(jù)的對比分析

6 結語

徐州中聯(lián)1號萬噸級水泥生產線五級預熱器改六級預熱器技改項目的實施，提升了我國水泥生產大型化技術裝備水平，為其他大型水泥生產線進行綠色低碳優(yōu)化升級提供了改造實例。改造后，系統(tǒng)熱效率提升，綜合煤耗指標先進，實現(xiàn)了NOX超低排放的同時，大幅降低了氨水使用量，達到了預期的改造目標，有效促進了水泥制造企業(yè)的綠色、可持續(xù)發(fā)展。